Hitzeschutzsysteme aus keramischen Verbundstoffen für die
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Hitzeschutzsysteme aus keramischen Verbundstoffen für die
01 Schunk_Report_Dez_06.qxd 28.11.2006 12:23 Heat Protection Systems Made of Ceramic Composites for Space Travel Business Unit 2 of Schunk Kohlenstofftechnik GmbH (SKT), which also deals with coating methods among other things, develops CVD-coatings (Chemical Vapor Deposition) that are applied over the LP (low pressure) CVD-method. Depending on the coating or coating system, the precipitation takes place at between 1,000 and 2,000 degrees Celsius. Seite 44 Hitzeschutzsysteme aus keramischen Verbundstoffen für die Raumfahrt Der Geschäftsbereich 2 der Schunk schen Resistenz aus. Diese Eigen- Kohlenstofftechnik GmbH (SKT), der schaft macht man sich im Bereich des sich unter anderem auch mit Be- Oxidationsverhaltens von Elektro- schichtungsverfahren beschäftigt, graphit zu Nutze. Mittels einer zu- entwickelt CVD-Schichten (Chemical sätzlich aufgebrachten PYC-Beschich- Vapour Deposition), die über das LP tung erhöht sich auch die chemische (Low Pressure)-CVD-Verfahren (che- Resistenz des Elektrographits. mische Gasphasenabscheidung bei niedrigem Druck) aufgetragen wer- Mit dem Aufschwung der Halbleiter- den. Je nach Schicht oder Schicht- technik Anfang der 1980iger Jahre er- system erfolgt die Abscheidung zwi- wuchs die Notwendigkeit, Graphit- schen 1.000 und 2.000 Grad Celsius. Epi-Susceptoren mit höchst reinen This development began at Schunk at the end of the 1970s with pyrocarbon, or “PYC” as it’s called for short. This highlypure graphite has applications today in the field of analysis technology (graphite furnace atomic absorption spectrometry) and is also used for surface refining (for reducing the so-called “particle release”) in semiconductor technology. Its special crystal lattice structure makes pyrocarbon unusually resistant to chemicals. This property is often appreciated when it comes to the oxidation behavior of electrographite. With an additionally applied coating of PYC, the chemical resistance of the electrographite also increases. Die Zukunft hat begonnen: CVD-SiC-Beschichtungen für Weltraumfahrzeuge The future is now: CVD-SiC-coatings for space vehicles With the boom in the semiconductor Diese Entwicklung begann bei Schunk Hartstoffschichten zu versiegeln. Weil industry in the 1980s arose the need to Ende der 70er Jahre des vergangenen Siliciumcarbid (SiC) über eine beson- seal graphite epi susceptors with highly- Jahrhunderts mit Pyrokohlenstoff, ders hohe chemische Beständigkeit pure hard coatings. Because silicon car- kurz „PYC“ genannt. Dieser höchst reine verfügt, ist er hier der ideale Werk- bide possesses a particularly high chemi- Graphit findet heute Anwendung im stoff. Mit Schichtdicken von etwa 80 – cal resistance, it is the ideal material for Bereich der Analysentechnik (Graphit- 120 Millionstel Millimeter lassen sich this. Coating thicknesses of approxi- rohr-Atomabsorptionsspektroskopie) selbst kritische Graphitbauteile ver- mately 80 – 120 millionths of a millimeter oder auch zur Oberflächenveredlung siegeln. Diese Technologie hat bis even allow the sealing of the most critical (zur Reduzierung des so genannten heute große Bedeutung. of graphite components. This technology „Particle Release“, der Freisetzung von continues to extremely significant today. Partikeln) im Bereich der Halbleiter- Mit der Eingliederung der XYCARB technik. Sein spezieller Kristallgitter- Ceramics in die Schunk-Gruppe wurde aufbau stattet den Pyrokohlenstoff das Produktportfolio neu strukturiert. mit einer besonders hohen chemi- Teil dieser Umstrukturierung war die When XYCARB Ceramics was integrated into the Schunk Group, the product portfolio was restructured. A part of this Schunk Report, 12/2006 44 01 Schunk_Report_Dez_06.qxd 28.11.2006 12:23 Seite 45 Verlagerung des Bereiches der Stan- lung auf eine 16-tägige Reise in die restructuring was the relocation of the dardbauteile für den Halbleitermarkt Schwerelosigkeit geschickt. Wohlbe- standard component for semiconductor von der SKT zur XYCARB, in deren hütet im Innern befanden sich 385 activities from SKT to XYCARB, which led Folge die SKT nach neuen Anwen- Kilogramm europäische Forschungs- to SKT having to look for new fields of dungsfeldern für CVD-SiC-Schichten fracht. Das KERAMIK-Experiment aus application for CVD-SiC-coatings. suchen musste. dem DLR in Stuttgart war dagegen in Ein Bereich ist die Raumfahrt Ein Beispiel für die erfolgreiche Entwicklung solch neuer Bereiche ist ein Beschichtungsauftrag, den die SKT für das Deutsche Zentrum für Luftund Raumfahrt (DLR) realisiert hat. Nach vielen Probeteilen wurden im Herbst 2004 zwei Bedienplatten für die russische Raumkapsel FOTON M2 sowie die dazu gehörigen Verbin- die Außenhaut des Raumfahrzeugs eingelassen. Dort vollführte es im wahrsten Sinne des Wortes einen heißen Ritt durch die Atmosphäre. Mit Erfolg. Der Hitzeschutz für zukünftige wieder verwendbare Raumfahrzeuge One field is space travel One example for the successful development of such new fields is a coating contract that SKT received from the Deutsche Zentrum für Luft-und Raumfahrt – DLR – (German Center for Air and hat seine Feuertaufe bestanden.“ Space Travel). Den Erfolg dieser „Feuertaufe“ hat After submitting numerous subspecies, einzig und allein die von der SKT aufgebrachte SiC-Oxidatiosschutzschicht two panels for the Russian space capsule FOTON as well as the corresponding joining elements and angle brackets dungselemente und Haltewinkel bei were delivered to SKT for CVD-SiC-coat- der SKT zur CVD-SiC-Beschichtung ing in the autumn of 2004. angeliefert. As is often the case, the components were Wie so oft, wurden die Bauteile per- personally handed over by a DLR em- sönlich durch einen DLR-Mitarbeiter ployee, and as usual the job of applying übergeben, und wie immer, sollte an optimal CVD-SiC-coating had to be unter hohem Zeitdruck eine optimale done under a lot of time pressure. CVD-SiC-Beschichtung auf die ent- After fulfilling our side of the contract, sprechenden Bauteile aufgebracht we then had to wait quite a long time for werden. the results. Nach der Auslieferung des Auftrages The time came in June, 2005: the panel haben wir dann sehr lange auf das that had been coated by SKT had gotten Resultat warten müssen. a 16-day taste of outer space. Im Juni 2005 war es dann so weit: Das The DLR News 2006 reads as follows: von der SKT beschichtete Paneel hatte Die beiden von der SKT beschichteten Paneele 16 Tage Weltraum geschnuppert. “The critical moment when returning The two panels coated by SKT from space is the reentry into the earth’s atmosphere. At temperatures of over In den DLR-Nachrichten 2006 liest 2,000 degrees Celsius, the material of sich das wie folgt: „Der kritische Moment bei der Rückkehr aus dem Weltraum ist der Eintritt in die Erdatmosphäre. Bei Temperaturen von über 2.000 Grad Celsius werden Material und Raumfahrzeug auf das Äußerste beansprucht. Wissenschaftler im DLR-Institut für Bauweisenund Konstruktionsforschung arbeiten an geeigneten Schutzkacheln. An Bord ermöglicht. Die höchste Temperatur the space vehicle is taxed to the limit. an den beiden FOTON-Paneelen beim Scientist at the DLR Institut für Bau- Eintritt und Ritt durch die Atmos- weisen- und Konstruktionsforschung phäre betrug 1.481 Grad Celsius. Jede (Institute for Design and Construction andere Komponente aus ungeschütz- Research )are working on suitable pro- tem kohlenstofffaser verstärktem tective heat shield tiles. On board the Kohlenstoff (CFC) oder aus C/SiC Russian space capsule FOTON-M2, they wäre durch die Oxidation und die sent their newest development on a 16- hohe Reibung korrodiert. day trip into zero gravity. Safe and der russischen Raumkapsel FOTON- Auf dem zweiten Paneel wurden M2 haben sie ihre neueste Entwick- zusätzlich noch einzelne Spezialbe- Schunk Report, 12/2006 45 sound inside were 385 kilograms of European research freight. The CERAMIC- 01 Schunk_Report_Dez_06.qxd 28.11.2006 12:23 Seite 46 Experiment from the DLR in Stuttgart on control jets for satellites that have to schichtungen aufgetragen. Diese wei- the other hand, was embedded in the given a SiC coating. Everyone knows the sen nach dem Versuch optische skin of the space vehicle. There it literally colorful pictures that the space telescope Veränderungen auf, die nun weiter performed a hot number going through Hubble sends back to Earth. The succes- ausgewertet werden. the atmosphere. With success. The heat sor telescope James Webb, which is cur- protection for reusable spacecraft passed rently being built, will be equipped with its baptism under fire.” a resolution that is ten times better. This The success of this baptism under fire was made possible solely by SiC oxidation-protection coating applied by SKT. The highest temperature on the two FONTON-panels upon reentry and travel through the atmosphere was 1,481 degrees Celsius. Any other component made unprotected carbon fiber reinforced has been made possible through a new technology for mirror optics which is Eine weitere Weltraumreise ist für das Jahr 2009 geplant. Auch hier wird die SKT wieder ihren Beitrag für eine sichere Rückkehr aus dem All leisten. based on silicon carbide. At the moment Wo geht die Reise hin? SKT is working on the coating of the mir- Keramik, Faserkeramik, Oberflächen- ror blanks for the NIRSpec camera that will supply us with even more beautiful and pin-sharp pictures from space in the future. veredlungen – all das sind Schlagworte, die wir täglich im Umgang mit unseren Kunden hören. Dabei geht es um die unterschiedlichsten Bereiche – carbon (CFC) or of C/SiC would have With high-technology from Giessen, Scien- hochwertige Bauteile in chemischen corroded from the oxidation and high tists around the globe will then gain new Reaktoren, die vor Korrosion zu friction. knowledge. Have a little patience, and schützen think of Schunk when you see the first Steuerdüsen für Satelliten, die mit pictures from space starting in 2013. einer SiC-Beschichtung versehen wer- Special individual coatings were additionally applied to the second panel. sind oder um C/SiC- den müssen. Jeder kennt die bunten They displayed optical changes which Bilder, die uns das Weltraumteleskop are now being further analyzed. Hubble auf die Erde schickt. Das Another space trip is planned for the Nachfolgteleskop James Webb, an year 2009. Here too, SKT will make a dem zur Zeit gebaut wird, wird mit contribution toward a safe return from einer bis zu zehnfach besseren outer space. Auflösung ausgestattet sein. Möglich ist dies ist nur mit einer neuen, auf Where is the journey leading? Siliciumcarbid basierenden Techno- Ceramics, fiber ceramics, surface refine- logie für die Spiegeloptik. Im Moment arbeitet die SKT an der Beschichtung ment – these are all buzzwords that we der Spiegelrohlinge für die NIRSpec- hear in our everyday dealings with our Kamera, die uns in Zukunft noch customers. And it’s often about the most schönere und gestochen scharfe Bil- diverse applications – high-value components in a chemical reactor that have der aus dem Weltraum liefern wird. to be protected for corrosion or C/SiC Mit Hightech aus Gießen werden dann Wissenschaftler rund um den Globus neue Erkenntnisse gewinnen. Haben Sie etwas Geduld und denken Sie an Schunk, wenn Sie ab 2013 die ersten Bilder aus dem All sehen werden. Schunk Report, 12/2006 46